Vagues extrêmes en milieu côtier, impact et submersion - Université de Bordeaux
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APPEL A PROJETS 2017
Volet Recherche : présentation du projet en vue d’expertise
Vagues extrêmes en milieu côtier, impact et submersion
1. Contexte et objectifs généraux
Depuis plusieurs dizaines d’années, la densité de population a considérablement augmenté le
long des côtes, et l’on prévoit une accélération de cette tendance dans les décennies à venir (Neumann
et al. 2015). Les évènements marins extrêmes, tels les vagues de tempête, ont donc des conséquences
humaines, environnementales et socio-économiques de plus en plus importantes. Ce constat s’applique
tout particulièrement au littoral de la Nouvelle-Aquitaine qui est soumis à des forçages hydrodynamiques
(houle et marée) très intenses et est donc sujet à de forts aléas naturels tels que l’érosion côtière et la
submersion marine. Ces aléas sont de plus renforcés par l’augmentation du niveau de la mer liée au
changement/réchauffement climatique global (cf. Bonneton et al., 2013). Dans ce contexte il est
essentiel de disposer d’outils performants pour la mesure et la modélisation des vagues extrêmes et leur
impact à la côte.
Si l’on arrive à mesurer et modéliser de façon convenable les propriétés moyennes des vagues
en milieu littoral (hors zone de déferlement), le problème est beaucoup plus difficile lorsqu’on s’intéresse
à l’élévation maximale de celles-ci, par exemple au sein d’un groupe d’onde. Or ce sont ces vagues
«extrêmes» qui vont jouer un rôle critique pour les questions de sécurité de la navigation, les problèmes
de franchissement, de submersion et d’érosion dunaire. Les principaux objectifs méthodologiques de ce
projet sont de développer :
• des méthodes de mesure innovantes qui permettront une caractérisation précise in situ, et par
télédétection, des champs de vague très énergétiques : tâche 1
• un modèle instationnaire de propagation des vagues en milieu littoral. Ce modèle, dénommé
UHAINA, a vocation à être ouvert à une large communauté : les scientifiques, les gestionnaires
des risques côtiers voire même des bureaux d’étude, tout d’abord au niveau de la Nouvelle-
Aquitaine puis ensuite plus largement au niveau national et international : tâche 2.
Les outils ainsi développés pourront être appliqués à l’ensemble des problématiques associées aux
vagues extrêmes concernant le littoral de la Nouvelle-Aquitaine (submersion, érosion, sécurité de la
navigation, …). Dans le cadre de la tâche 3 de ce projet nous nous focaliserons sur trois applications
spécifiques :
• l’impact des vagues extrêmes sur une digue (Saint de Luz)
• les ondes infragravitaires sur plages à pente douce (ile d’Oléron)
• la dynamique des vagues au-dessus du récif de Parlementia (Bidart/ Guéthary).
Ces trois sites font déjà l’objet d’études par certains des partenaires de ce projet Région, car ils sont
associés à des enjeux côtiers importants. Notre projet Région va permettre une meilleure coordination
de ces travaux de recherche, une mutualisation des moyens d’observation et le développement de
méthodes de mesure et de modélisation novatrices, adaptées aux problématiques littorales de la
Nouvelle-Aquitaine. Notre Région peut s’appuyer sur un ensemble de scientifiques travaillant sur la
dynamique des vagues dont l’expertise est reconnue aussi bien au niveau national qu’international.
Cette expertise repose sur des compétences complémentaires en océanographie, génie côtier,
mécanique des fluides et mathématique. Le présent projet va permettre de renforcer et structurer les
échanges interdisciplinaires entre les différentes équipes impliquées.
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Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2
2. Projet de recherche
2.1 Tâche 1 : Nouvelles méthodes pour la mesure des vagues
La mesure des vagues de fortes amplitudes en milieu littoral est une tâche difficile. Les vagues, à
l’approche du rivage, tendent à s’amplifier et leur dynamique devient fortement non-linéaire. Pour
mesurer ces ondes très énergétiques on déploie généralement sur le fond marin des capteurs de
pression et/ou des profileurs de courant acoustiques. Cependant, les méthodes qui permettent de
reconstituer le champ d’élévation des vagues à partir de ces mesures de pression ou de courant,
reposent sur des théories linéaires qui sont peu adaptées aux vagues de fortes amplitudes. La tâche 1.1
a pour objectif le développement de méthodes innovantes permettant la reconstruction non-linéaire des
vagues. Une approche complémentaire pour mesurer les vagues très énergétiques et éviter les risques
d’endommagement des instruments, en particulier lors de tempêtes, est de mettre en œuvre des
méthodes de télédétection : tâche 1.2 et tâche 1.3.
Tâche 1.1 : Méthode de reconstruction non-hydrostatique du champ de vague
Bonneton P., Bonneton N., Detandt G., Lannes D., thésard Région/DGA
Des capteurs de pression, déployés sur les fonds marins, sont utilisés depuis très longtemps
pour mesurer la hauteur des vagues. L’intérêt de cette méthode, contrairement aux bouées de surface,
est qu’elle est peu couteuse, facile à déployer et qu’elle résiste très bien aux tempêtes. Pour des vagues
peu cambrées il existe des méthodes simples et efficaces, basées sur la théorie linéaire non-
hydrostatique des vagues, qui permettent de reconstituer le champ de vague à partir de la mesure de la
pression. Cependant, lorsque des vagues de fortes amplitudes s’approchent du rivage leur dynamique
devient très non-linéaire et les méthodes classiques de reconstruction donnent de mauvais résultats, en
particulier en sous-estimant fortement l’élévation maximale des vagues. Par exemple, la fig. 1 montre
que dans un groupe d’ondes la méthode classique (courbe bleue) peut sous-estimer l’amplitude
maximale de 13%. Des travaux récents (Oliveras et al., 2012 ; Bonneton et Lannes, 2016) ont conduit au
développement de méthodes de reconstruction non-hydrostatiques non-linéaires qui permettent une
bien meilleure détermination des vagues extrêmes (cf. fig. 1).
Figure 1 : Série temporelle de l’élévation ζ d’un champ de vagues bichromatique, proche du déferlement, se propageant sur un
fond en pente douce. Ligne noire, mesure directe de ζ ; ligne tiretée noire, reconstruction hydrostatique ; ligne bleue, méthode
classique de reconstruction linéaire à partir de la pression ; ligne rouge, méthode de reconstruction non-linéaire (Bonneton et
Lannes, 2016).
Ces méthodes ont jusqu’à présents été validées principalement par des données obtenues dans
des canaux à houle. Notre objectif ici est de tester nos méthodes de reconstruction à partir de mesures
directes de la surface des vagues en milieu naturel. Ces mesures seront réalisées dans le cadre de
campagnes ponctuelles pour des conditions de houle énergétiques mais des situations météorologiques
calmes (hors tempête). On s’appuiera sur différentes méthodes : acoustiques (ADCP Signature 1000,
Nortek), lidar (cf. Martins et al. 2015), stéréophotogrammétrie (cf. tâche 1.2), ou par réflectométrie GNSS
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Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2
(cf. tâche 1.3). Cette confrontation avec des mesures directes de la surface libre nous permettra de
valider puis d’améliorer nos méthodes de reconstruction non-linéaires. Nous étendrons ensuite ces
approches de reconstruction en tenant compte non seulement de la pression mesurée proche du fond
mais aussi de mesures co-localisées du champ de vitesse.
Tâche 1.2 : Télédétection optique par station fixe et drone
Marieu V., Brodu N., Castelle B., Detandt G., Guillot B., thésard Région/DGA
Le littoral est un environnement énergétique, meuble, soumis à des événements extrêmes qui
sont souvent les plus morphogènes et dont les impacts sont les plus importants en termes d’érosion et
de submersion. Dans ces conditions extrêmes la plupart des capteurs in situ ne sont plus en état de
fonctionner. Il est donc essentiel de développer des méthodes de télédétection permettant de quantifier
finement la transformation complexe des vagues et des courants. L’imagerie vidéo par stations fixes (2
caméras synchronisées espacées de quelques mètres et visant la même zone) a le potentiel de produire
une reconstruction à haute fréquence et haute résolution de la surface libre par la
stéréophotogrammétrie, y compris en cas de tempêtes. Cette technique a déjà été utilisée avec succès
dans la zone de surf externe, pour des conditions de vagues peu énergétiques et avec une couverture
spatiale limitée (e.g. de Vries et al., 2011). Il s’agira d’adapter cette approche à toute la zone de
déferlement jusqu’au jet de rive impactant le haut de plage.
Cette approche sera complétée par une estimation à haute résolution spatiale et temporelle des
courants de surface. Les méthodes jusqu’ici développées donnent des résultats peu satisfaisants et/ou
le long d’un seul profil (e.g. Almar et al., 2016), mais les récentes avancées réalisées par la
communauté « analyse d’image » (e.g. basés sur l’analyse multifractale, Badri et al. 2014) ouvrent de
nouvelles perspectives qui seront explorées. De plus nous avons récemment développé une méthode
automatisée d’ortho-rectification des images permettant de couvrir une vaste zone par drone. Lorsque
les conditions de vent local le permettent, ces mesures pourront être utilisées pour analyser les liens
entre des vagues très énergétiques et les courants de surface induits. Il faut en effet préciser que des
vagues extrêmes peuvent être observées à la côte avec du vent faible, comme ce fut par exemple le cas
le 7 janvier 2014 avec la tempête Hercules qui causa une érosion massive des dunes en Aquitaine
(Castelle et al., 2015), ainsi que de la submersion marine dans le Pays Basque. Nos différentes
approches seront validées avec des mesures obtenues précédemment par EPOC et seront complétées
par des mesures collectées en Tâche 3.
Figure 2 : Photo d’un courant de baïne prise par drone (EPOC). L’animation vidéo de ce courant de baïne par notre méthode
automatique d’ortho-rectification est consultable sur http://www.epoc.u-bordeaux.fr/indiv/Castelle/index.php?page=4&lang=eng).
Tâche 1.3 : Altimétrie radar et GNSS et imagerie SAR pour le suivi de la surface libre
Frappart F., Ballu V., Testut L., Darrozes J., Ramillien G., Lestarquit L.
Les techniques d’observation spatiales ont démontré un fort potentiel pour la détermination des
niveaux moyens des mers et des vagues, en particulier à partir des observations radar. Quatre
techniques différentes seront utilisées dans ce projet sur le site de Parlementia (cf. tâche 3.3) : i) le
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Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2
positionnement classique par GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, COMPASS), ii) la réflectométrie GNSS,
iii) l’imagerie SAR à haute résolution et iv) l’altimétrie satellitaire.
i. Une bouée équipée d’un récepteur GNSS, au large du récif de Parlementia, renseignera sur l’état
de mer (niveau moyen et vagues) avant la zone de déferlement (cf. Bouin et al., 2009a ; b; Fund
et al., 2013; Frappart et al., 2015a). Une ou plusieurs bouées équipées d’un récepteur GNSS
effectuant des acquisitions à haute fréquence (climatologique de ces deux paramètres sera également effectuée sur les 20 ans de données
disponibles à partir des données d’anciennes missions ERS-2 (1996-2003), ENVISAT (2002-
2012), SARAL (2013-2015) Ces données seront mises à disposition par le SNO CTOH (LEGOS-
OMP) et traitées au moyen du logiciel MAPS développé conjointement par EPOC et le GET-
OMP (Frappart et al., 2015b).
2.2 Tâche 2 : Modélisation instationnaire des vagues : code UHAINA
Bonneton P., Delmas S, Lannes D., Marche F., Pedreros R., Ricchiuto M., Perrier V., Post-doc Région/BRGM, Thésard
Région/DGA
Depuis une dizaine d’années une collaboration interdisciplinaire étroite s’est développée sur la
modélisation des vagues à résolution de phase entre les laboratoires Bordelais EPOC, IMB et INRIA et
le laboratoire Montpelliérain IMAG. L’originalité de notre démarche a été d’avancer conjointement aussi
bien sur des questions théoriques (ex. : Lannes and Bonneton, 2009), numériques (ex. : Marche et al.,
2007, Bonneton et al., 2011, Ricchiuto and Filippini, 2014, Kazolea et al., 2014, Lannes and Marche,
2015, Duran and Marche, 2015, Filippini et al., 2016) qu’océanographiques (ex. : Tissier et al., 2011 ,
Tissier et al., 2012). Ces travaux interdisciplinaires, soutenus par l’ANR et le programme LEFE de
l’INSU, ont été largement reconnus par la communauté scientifique internationale. Les outils numériques
que nous avons développés, principalement dans une optique de recherche amont, ont aussi été utilisés
par des organismes travaillant sur la gestion des risques côtiers, tels que le BRGM (France) ou
CIGIDEN (Chili), pour des applications sur des évènements de submersions liés aux tempêtes (ex :
Projet JOHANNA : Vers une prédiction des coûts et dommages liés aux submersions marines et aux
vagues lors des tempêtes, Le Roy et al., 2014). Devant les sollicitations pour utiliser nos outils de
simulation, venant de laboratoires de recherche ou d’organismes travaillant sur les risques côtiers, il
nous a paru nécessaire d’adopter une nouvelle stratégie de développement pour élaborer un code de
vague véritablement opérationnel qui puisse être ouvert à une large communauté d’utilisateurs.
Notre projet est donc de développer un code de vague opérationnel s’appuyant sur les méthodes
novatrices que nous avons conçues ces dernières années. Ce code, que nous avons nommé UHAINA,
doit permettre de décrire les transformations des vagues en milieu littoral (zones de levée, surf et
swash), les phénomènes de franchissement et d’inondation qui interviennent durant les évènements de
forte tempêtes ou les tsunamis. Le développement du code UHAINA a débuté en janvier 2016 grâce au
recrutement en CDD d’un ingénieur de recherche (Simon Delmas). Ce CDD a été financé en 2016 par
l’IDEX de Bordeaux (Cluster CPU et LABEX COTE) et il sera poursuivi en 2017 avec le soutien du
CNRS. L’objectif de la tâche 2 de ce projet Région est de poursuivre ce travail afin d’aboutir à un code
de calcul communautaire et open source qui permette d’allier efficacité et facilité d’installation,
d’utilisation et de mise en œuvre de nouveaux cas d’application. Le post-doc REGION/BRGM qui sera
recruté jouera un rôle central dans le développement du code UHAINA.
Afin d’obtenir une modélisation pertinente des processus fortement non-linéaires liés aux vagues
de tempêtes, notre approche reposera sur les équations 2DH fortement non-linéaires et faiblement
dispersives de Serre / Green-Naghdi (cf. Lannes and Bonneton, 2009), nommées SGN dans la suite.
Les applications sur les vagues extrêmes en milieu côtier peuvent nécessiter d’utiliser un très grand
nombre d’éléments de maillages pour obtenir la résolution nécessaire (jusqu’à 108 éléments). De tels
ordres de grandeurs rendent les simulations numériques basées sur les équations SGN très couteuses,
puisqu’elles nécessitent de résoudre des systèmes linéaires dimensionnés par le nombre total de degrés
de liberté à chaque itération en temps afin de prendre en compte les effets de dispersion. Pour
surmonter cette difficulté, nous proposons de baser UHAINA sur une nouvelle formulation des équations
SGN (cf. Lannes and Marche, 2015). La particularité de ces équations est de reposer sur un opérateur
régularisant d’ordre deux qui ne dépend pas du temps, contrairement aux équations classiques, ce qui
permet d’un point de vue numérique d’assembler et de factoriser la matrice correspondante une fois
pour toute dans une étape de pré-processing, au lieu de la reconstruire à chaque pas de temps comme
pour les équations classiques.
Sur le plan numérique le code s’appuiera sur l’utilisation de méthodes d’ordre élevé
performantes, à capture de choc et équilibrées (préservant certaines familles d’états stationnaires, voir
par exemple Xing and Zhang, 2013, Duran and Marche, 2014 et Xing, 2014) et sur une description des
fronts d’onde en zone de surf par la théorie des chocs. La prise en compte précise et adaptée de
bathymétries complexes nécessite l’utilisation de maillages non-structurés arbitraires (triangles et
5
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2quadrangles). Nous avons fait le choix de mettre en œuvre une approche de type Eléments Finis de
Galerkin Discontinus (DG), plutôt qu’une méthode Volumes-Finis (FV). En effet une résolution correcte
des effets dispersifs nécessite des méthodes d’ordre spatial élevé (typiquement ≥ 3) qui sont plus
difficiles à implémenter en VF non-structurés, en particulier dans un cadre de calcul massivement
parallèle. En revanche, les méthodes DG permettent une montée en ordre de façon plus simple et sont
adaptées au parallélisme grâce à la localité inhérente de ces méthodes.
Pour garantir de hautes performances d’exécution parallèle, en permettant aux utilisateurs et
développeurs du modèle de se concentrer sur les aspects liés à la physique et aux méthodes
numériques, nous avons choisi de construire UHAINA à partir de la bibliothèque AeroSol développée par
les équipes Inria CAGIRE et CARDAMOM. AeroSol est une bibliothèque moderne implémentée en C++
permettant la résolution d’équations aux dérivées partielles avec des méthodes éléments finis (continus
ou discontinus) d’ordre arbitraire, sur maillages courbes non-structurés hybrides.
La composante modélisation de notre projet (tâche 2) a aussi été soumise au programme
LEFE/MANU de l’INSU afin d’obtenir un soutien financier pour les dépenses de fonctionnement (porteur
du projet : Fabien Marche).
Les différentes sous-tâches du projet sont décrites ci-dessous.
Tâche 2.1 - Partie hyperbolique
Nous utiliserons une formulation des équations de SGN qui peut s’écrire en 2 phases : une
phase hyperbolique (non-dispersive) et une phase elliptique (dispersive). La partie hyperbolique des
équations de SGN se réduit au système Saint-Venant (SV dans la suite). La formulation retenue est la
formulation «pre-balanced » proposée dans Liang and Marche (2009) qui permet de préserver un état
stationnaire au repos en présence de gradient de bathymétrie. La positivité de la solution sera assurée à
l'aide de la méthode proposée dans Zhang and Shu (2010). A l'ordre élevé, il est aussi nécessaire de
stabiliser le schéma en présence de discontinuités. Pour cela, nous mettrons en œuvre des techniques
adaptées de Guermond et al., (2011) en ajoutant localement un terme de viscosité artificielle
proportionnel au résidu de l'entropie du système. L'utilisation d'un terme dissipatif à la ligne d'eau peut
également permettre d’améliorer la robustesse de la méthode au voisinage des singularités lors de la
montée en ordre. L’essentiel du développement de cette première partie a déjà été réalisé par Simon
Delmas, recruté en CDD comme ingénieur de recherche en janvier 2016.
Tâche 2.2 - Prise en compte des effets dispersifs
La prise en compte des effets dispersifs s’effectuera par l’ajout d’un terme source additionnel
dans l’équation de conservation de la quantité de mouvement précédente, obtenu comme solution d’un
problème elliptique linéaire du second ordre. Ce problème elliptique, qui peut aussi être interprété
comme un problème de réaction-diffusion-advection non-homogène, fait intervenir un opérateur auto-
adjoint de type « div-grad ». En particulier, on peut montrer qu’il permet d’obtenir une forme
variationnelle coercive (cf. Alvarez-Samaniego and Lannes, 2008 pour des conditions aux bords
périodiques ou homogènes), ce qui permet de construire des formulations discrètes de type éléments
finis classique stabilisés (Galerkin continu), comme effectué par exemple dans Filippini et al., (2016). La
résolution de cette étape elliptique peut également se faire pour un ordre de précision spatiale arbitraire.
Tâche 2.3 - Prise en compte du déferlement
Une détection préliminaire des fronts potentiellement déferlants sera obtenue en calculant, dans
chaque élément, la variation temporelle de l’entropie mathématique. A partir de critères physiques
proposés successivement dans Tissier et al. (2012), Kazolea et al. (2014) et Bacigaluppi et al. (2014),
on déterminera si ces éléments sont bien associés ou non à des fronts déferlants. En cas de
déferlement, on négligera localement le terme dispersif dans les équations SGN et le front d’onde sera
alors traité comme un choc hyperbolique.
Tâche 2.4 - Validation, optimisation et diffusion du code
La validation du code sera effectuée au travers un benchmarking intensif et des comparaisons
systématiques avec nos divers codes de recherches disponibles et déjà validés (tels GN2D dans Lannes
and Marche (2015), WaveBox dans Duran and Marche (2016), Slow dans Filippini et al. (2016)), ainsi
qu’avec d’autres codes de référence tels FUNWAVE-TVD.
6
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2Il sera également nécessaire d’évaluer les performances de UHAINA sur des cas très couteux en
temps calcul et mémoire, afin de quantifier les performances obtenues en terme de parallélisme.
Diverses stratégies d’optimisation seront ensuite naturellement étudiées, en utilisant les outils de
profilage et de diagnostique disponibles, afin d’identifier les bottleneck présents.
A ce stade, la version 1.0 de UHAINA pourra être diffusée à nos partenaires universitaires
Régionaux ainsi qu’à des organismes chargés de la prévision des risques (BRGM et CIGIDEN Chili) afin
d’obtenir des retours d’expérience, qui seront pris en compte pour améliorer l’ « expérience utilisateur »
et garantir la pertinence d’UHAINA pour un usage opérationnel.
Tâche 2.5 - Simulations des trois cas d’application de la tâche 3
Les potentialités du modèle UHAINA à simuler correctement la propagation de vagues
énergétiques et de leur impact sur le littoral de la Nouvelle-Aquitaine seront évaluées à partir des
observations obtenues pour les trois applications de la tâche 3. Ces différentes applications permettront
de tester la capacité de UHAINA à simuler les vagues dans des configurations très différentes : impact
et franchissement de digue ayant une forte pente (tâche 3.1), génération et transformation d’ondes
infragravitaires énergétiques sur fond sableux à pente douce (tâche 3.2) et déferlement et circulation
induite sur des récifs rocheux localisés (tâche 3.3).
2.3 Tâche 3 : Applications au littoral de la Nouvelle-Aquitaine
Le champ d’application des méthodes de mesures (tâche 1) et de modélisation (tâche 2)
développées dans ce projet, pour des problématiques concernant le littoral de la Nouvelle-Aquitaine,
pourra dans l’avenir être très large (submersion, érosion, sécurité de la navigation, …). Dans le cadre de
ce projet nous nous focaliserons sur trois applications particulières. La première concerne l’impact de
vagues extrêmes sur une digue et fait déjà l’objet de mesures dans le cadre d’un projet Interreg
(POCTEFA MAREA), la seconde porte sur les ondes infragravitaires de très fortes amplitudes qui se
forment au sud de l’ile d’Oléron, sujet en partie abordé dans le cadre du projet de Chaire Régionale
EVEX, et la troisième sur la dynamique des vagues au-dessus d’un récif rocheux. Sur ces applications
et en particulier sur la tâche 3.3 nous interagirons avec le Shom (T. Garlan) dans le cadre de son futur
projet d’étude amont MEPELS.
Tâche 3.1 : Impact des vagues extrêmes sur une digue (Saint de Luz)
Abadie S., Larroque B. + chercheurs des tâches 1 et 2
Le phénomène d'impact des vagues sur un mur vertical est un processus complexe qui nécessite
une description très fine et précise de la surface libre. Cette complexité est renforcée lorsqu’on
s’intéresse à un ouvrage réel tridimensionnel, protégé par un ensemble de blocs de carapace en béton.
La détermination des pressions d'impact est pourtant cruciale pour dimensionner ces ouvrages. Les
mesures de pression d'impact sur site sont très rares (De Rouville et al. 1938 et Bird et al. 1998), compte
tenu de l'agressivité du milieu environnant. Depuis 2015, l'UPPA réalise des mesures de pression à très
haute fréquence (5kHz) en 2 points sur le musoir de la digue de l'Artha qui protège la baie de Saint Jean
de Luz. Dans le cadre du présent projet on se propose de compléter ces mesures en construisant un
réseau plus dense de capteurs de pression sur la paroi verticale de la digue. On souhaite également
mesurer la houle incidente et réfléchie au voisinage de l'ouvrage (sachant qu'un houlographe
directionnel est déjà présent dans -20m de fond au large de l'ouvrage) par mesure de pression classique
ainsi qu'en effectuant une mesure directe de la surface libre (Signature 1000, Nortek). Les méthodes de
reconstruction non hydrostatiques de la surface libre (tâche 1.1) seront évaluées au voisinage de la
digue. Cette campagne de mesures sera réalisée en 2018. Les données obtenues permettront de
qualifier les performances du modèle UHAINA (tâche 2) au voisinage d'un ouvrage côtier réel.
Tâche 3.2 : Ondes infragravitaires sur plages à pente douce (ile d’Oléron)
Bertin X. + chercheurs des tâches 1 et 2
L’érosion des côtes sableuses est un problème global et concerne une part importante des
littoraux de la Région Nouvelle-Aquitaine. Les plages du sud-ouest de l’Ile d’Oléron correspondent
vraisemblablement au secteur le plus touché, avec des taux de recul de l’ordre de 30 m/an au cours de
7
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2la dernière décennie. Alors que les mécanismes responsables de ces évolutions à long-terme sont en
cours d’analyse au laboratoire LIENSs dans le cadre du projet de Chaire Régionale EVEX, une
campagne de terrain préliminaire a montré qu’à court terme, l’hydrodynamique de ces plages était
dominée par les ondes infra-gravitaires (IG). Les ondes IG correspondent à des ondes longues de
période de l’ordre de la minute et liées à la présence de groupes dans les vagues incidentes. Cette
campagne a également montré que le mécanisme de génération par ondes liées (bound wave) était
particulièrement actif du fait de la pente très faible du fond, ce qui permettait aux ondes IG d’atteindre
des niveaux d’énergie inédits dans la littérature (figure 3). Enfin, nos résultats préliminaires suggèrent
que la majeure partie de l’énergie associée aux ondes IG est dissipée par déferlement bathymétrique à
proximité du rivage.
Figure 3 : Série temporelle de hauteur d'eau mesurée à 2Hz (bleu) et filtrée à 30 s (rouge) à la plage de St Trojan en avril 2015,
montrant la propagation d'ondes IG atteignant 0.8 m alors que la hauteur significative des ondes incidentes était de l'ordre de
2.0 m.
Afin de mieux comprendre les mécanismes de génération des ondes IG, leurs transformations au
travers de la zone de déferlement et leurs impacts sur la dynamique sédimentaire, une campagne de
mesure sera réalisée au sud-ouest de l’Ile d’Oléron lors de l’hiver 2017-2018 en présence de vagues
énergétiques. Les parcs instrumentaux des laboratoires LIENSs et EPOC (capteurs de pressions,
profileurs de courant, courantomètres, turbidimètres, altimètres, etc.) seront mutualisés afin de mesurer
les ondes IG avec une résolution spatiale bien supérieure à ce qui a été réalisé jusqu’ici par le
laboratoire LIENSs. Les méthodes développées en Tâche 1.2 seront également appliquées à cette
expérience, notamment à des fins de validation. Les observations de terrain seront reproduites et
analysées par modélisation numérique, en comparant une approche à résolution de phase, avec l’outil
UHAINA décrit plus haut, et une approche à phase moyennée avec l’outil SCHISM en développement
au LIENSs (e.g. Guérin et al., 2016). L’analyse des données de terrain et des résultats numériques
devrait permettre de mieux comprendre les mécanismes de génération et de dissipation des ondes IG
ainsi que leur rôle dans l’érosion catastrophique de ce secteur.
Tâche 3.3 : Dynamique des vagues au-dessus du récif de Parlementia (Bidart/Guéthary)
Castelle B., Pedreros R., Le Roy S., Garlan T. + chercheurs des tâches 1 et 2
Il existe de nombreuses situations où la bathymétrie varie fortement dans la direction transverse
à celle de la propagation des vagues. Dans ce cas la dynamique des vagues et la circulation qu’elles
induisent deviennent très complexes. C’est ce que l’on observe par exemple lorsque les vagues se
propagent sur un récif rocheux comme celui de Parlementia situé entre Bidart et Guéthary. L’énergie des
vagues va être concentrée par réfraction sur le récif et donner lieu à une zone localisée de déferlement
(cf. Fig. 4). Cette variation transverse de la dissipation d’énergie des vagues par déferlement va induire
une variation transverse du niveau moyen du plan d’eau (setdown/setup) et des cellules de circulation
(Bonneton et al., 2010, Bruneau et al. 2011, Castelle et al., 2016). Afin de mieux comprendre la
8
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2dynamique de ce type d’écoulement nous allons réaliser une campagne de mesure de 2 semaines sur la
zone de Parlementia (cf. Fig. 4) lors de l’hiver 2018-2019, zone présentant un récif qui nous permettra
de s’affranchir du fond meuble des littoraux sableux. Cette campagne s’appuiera sur l’ensemble des
méthodes développées dans la tâche 1. La base de données ainsi acquise permettra d’évaluer la
capacité du modèle Uhaina à reproduire la propagation et le déferlement de vagues au-dessus de récifs
localisés. La caractérisation de la surface libre et des circulations à haute résolution spatiale et
temporelle sera obtenue à la fois par télédétection optique (drone et station fixe, tâche 1.2) et par
altimétrie GNSS et imagerie SAR (cf. tache 1.3). Comme les circulations seront induites au-dessus d’un
fond fixe mesuré finement, il sera alors possible en combinant avec la modélisation numérique de
déterminer le rôle de la variabilité spatiale et temporelle du déferlement bathymétrique sur la dynamique
de la vorticité en domaine littoral, cette dynamique étant essentielle, par exemple, pour la sécurité de la
baignade ou les échanges hydro-sédimentaires entre les franges littorales et le plateau interne.
Figure 4 : Site d’étude centré sur le récif rocheux de Parlementia, situé entre Bidart et Guéthary.
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Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2Bibliographie
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11
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 23. Coordination et calendrier
Le projet est structuré autour de trois tâches principales (cf. fig 5). Les deux premières, tâche 1
(mesure des vagues) et tâche 2 (modélisation des vagues) portent principalement sur des
développements méthodologiques. Ces travaux serviront à répondre aux questions, concernant la
dynamique des vagues extrêmes et leur impact sur le littoral de la Nouvelle-Aquitaine, qui seront
abordées dans la tâche 3. Pour cette dernière les campagnes de mesure seront réalisées lors de l’hiver
2017-2018 (tâche 3.2, Oléron), au printemps 2018 (tâche 3.1, Saint Jean de Luz) et lors de l’hiver 2018-
2019 (tâche 3.3, récif de Parlementia). Des réunions de travail régulières seront organisées au sein de
chaque sous-tâche et une réunion réunissant l’ensemble des participants se tiendra chaque année (à
l’Univ. Bordeaux (année 1), Univ La Rochelle (année 2) et Univ Pau (année 3)). Nous organiserons à la
fin du projet un Workshop qui fera le point sur l’ensemble de nos résultats et sera ouvert aux organismes
qui gèrent les risques littoraux ainsi qu’aux représentants des collectivités locales.
12
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2Figure 5
13
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 24. Moyens demandés et justification
Dans le cadre de ce projet, la demande financière à la Région correspond à du soutien à
l’investissement et aux salaires (1 thésard et 2 post-doctorants).
Equipements
Une partie importante de ce projet repose sur des campagnes de mesures sur trois sites
régionaux (tâche 3), ainsi que sur des mesures complémentaires spécifiques pour la tâche 1. Pour cela
il est nécessaire de renforcer le parc instrumental des différentes équipes.
EPOC :
• Lidar (Terrestrial Laser Scanning) pour les mesures directes de surface libre (tâche 1.1 et 3.1) :
15 K€
• Drone multirotor (tâche 1.2 et 3.3) : 3 K€
• Drone bathymétrique radio commandé (tâches 1 et 3) : 30 K€
• Profileur de courant RDI Sentinel V20 (tâche 3) : 26 K€
• 3 capteurs de pression Ocean Sensor Systems (tâche 3) : 10 K€
LIENSs :
• capteurs de pression NKE (tâche 3) : 2.4 K€
• Turbidimètres pour courantomètres NORTEK (tâche 3) : 1.5 K€
• Système de mesure du niveau marin GNSS, bouées et récepteurs (tâches 1.3 et 3) : 21.2 K€
SIAME :
• Capteurs de pression d'impact 5KHz et chaîne d'acquisition (tâche 3.1, digue Artha) : 28 K€ €
Allocations
• Bourse postdoctorale de 2 ans cofinancée par la Région et le BRGM ;
92 K€ (46 K€ Région/46K€ BRGM) ; 80% tâche 2 et 20% tâche 3
L’objectif de cette bourse est de contribuer à la pérennisation des développements du nouveau modèle
opérationnel de simulation des vagues à résolution de phase UHAINA. Le post-doctorant implémentera
dans le code les avancées les plus récentes dans le domaine de la simulation des équations de Serre /
Green Naghdi incluant le déferlement. Il contribuera aussi à la mise en œuvre des simulations des trois
applications de la tâche 3.
• Bourse de thèse cofinancée par la Région et la DGA ;
98 K€ (49 K€ Région/49K€ DGA) ; 70% tâche 3.3, 20% tâche 1.2, 10% tâche 1.1
Le thésard étudiera la circulation et les surcotes induites par des vagues fortement énergétiques se
propageant sur une bathymétrie littorale ayant de fortes variations dans la direction parallèle au littoral.
Afin de mieux comprendre puis prévoir ces phénomènes il associera des méthodes de mesure in situ
novatrices (tâche 1) avec des simulations obtenues avec le code UHAINA. Ces travaux se focaliseront
principalement sur l’application concernant le récif de Parlementia (tâche 3.3).
• Bourse postdoctorale 6 mois cofinancée Région/Europe ;
23 K€ (11.5 K€ Région/11.5 K€ EU) ; tâche 3.1
Traitement et analyse des données de la campagne réalisée sur et au voisinage de la digue de l'Artha
(Saint Jean de Luz).
14
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2APPEL A PROJETS 2017
Volet Recherche : compétences des équipes intervenant
dans le projet de recherche
I – Personnels impliqués dans le projet par laboratoire
Les équipes impliquées dans ce projet sont spécialistes de domaines de recherche complémentaires :
• océanographie : EPOC, LIENSs, BRGM, GET, CNES, SHOM
• génie côtier : SIAME, BRGM
• modélisation mathématique et calcul scientifique : IMB, INRIA, IMAG
Plusieurs de ces équipes interagissent déjà sur les thématiques abordées dans ce projet dans le cadre
du groupe de travail Mathocean (http://mathocean.math.cnrs.fr/).
Equipes appartenant à la Région Nouvelle-Aquitaine
Nom du Identité du Qualification Adresse électronique % du temps
laboratoire / de personnel impliqué consacré par
l’équipe Enseignant chercheur / le personnel
chercheur / doctorant /
ingénieur / technicien / au projet
administratif
EPOC Bonneton Philippe DR CNRS p.bonneton@epoc.u-bordeaux1.fr 40%
EPOC Bonneton Natalie MC INP n.bonneton@epoc.u-bordeaux1.fr 30%
EPOC Castelle Bruno CR CNRS b.castelle@epoc.u-bordeaux1.fr 30%
EPOC Delmas Simon IR CDD CNRS simon.delmas@u-bordeaux.fr 100%
EPOC Detandt Guillaume IE Univ Bx g .detandt@epoc.u-bordeaux1.fr 20%
EPOC Guillot Benoit Doctorant Benoit.guillot@u-bordeaux.fr 5%
EPOC Marieu Vincent IR CNRS v.marieu@epoc.u-bordeaux1.fr 30%
EPOC/OMP Frappart Frédéric CNAP OMP frederic.frappart@legos.obs-mip.fr 20%
invité à EPOC
BRGM Pedreros Rodrigo IR BRGM r.pedreros@brgm.fr 10%
BRGM S. Le Roy IR BRGM s.leroy@brgm.fr 10%
IMB Lannes David DR CNRS David.Lannes@math.u-bordeaux1.fr 10%
15
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2INRIA Brodu Nicolas CR INRIA nicolas@brodu.net 10%
Bx/Sud-Ouest (Bordeaux)
INRIA Ricchiuto Mario DR INRIA Mario.Ricchiuto@inria.fr 20%
Bx/Sud-Ouest (Bordeaux)
INRIA Perrier Vincent CR INRIA vincent.perrier@inria.fr 10%
Bx/Sud-Ouest (Pau)
LIENSs Ballu Valérie CR CNRS valerie.ballu@univ-lr.fr 10%
LIENSs Bertin Xavier CR CNRS xbertin@univ-lr.fr 20%
LIENSs/LEGOS Testut Laurent PHA CNAP laurent.testut@univ-lr.fr 10%
SIAME Abadie Stéphane PR stephane.abadie@univ-pau.fr 20%
SIAME Larroque Benoît MC blarroq1@iutbayonne.univ-pau.fr 30%
Equipes hors Région Nouvelle-Aquitaine
IMAG Marche Fabien MC Fabien.Marche@univ-montp2.fr 10%
GET Darrozes José MC jose.darrozes@get.omp.eu, 20%
GET Ramillien Guillaume CR CNRS guillaume.ramillien@get.omp.eu 10%
CNES Lestarquit Laurent Ing. CNES laurent.lestarquit@cnes.fr 10%
SHOM Garlan Thierry Ingénieur Rech. garlan@shom.fr expert
Moyens de recherche des équipes participantes utilisés dans le cadre du projet
Les campagnes de mesure de ce projet reposeront sur une mutualisation des moyens de mesure
in situ des différentes équipes et en particulier sur 2 plateformes : EPOC (plateforme de mesures
physiques, http://www.epoc.u-bordeaux.fr/index.php?lang=fr&page=pf_mesuresphy_parc ), SIAME
(plateforme de mesures mutualisée dans le cadre de la fédération de recherche MIRA, http://milieux-
aquatiques.univ-pau.fr/live/).
Les simulations numériques à résolution de phase pour des maillages très importants seront
réalisées sur le cluster Avakas (Université de Bordeaux et Université de Pau et des Pays de l’Adour).
16
Appel à Projets 2017 – Volet « Recherche » - Partie 2Vous pouvez aussi lire
